Power Systems 虚拟化简介

本文向您详细地介绍了 Power System 虚拟化相关的技术和亮点，让您对这些最新的虚拟化技术有一个全面的了解。本文来自 IBM Systems Magazine for AIX 中文版。

自从引入 POWER5 技术以来，虚拟化提供了许多出色的特性。它是服务器整合的基础；有助于减少计划内停机时间，对于绿色计算领域很重要。更快更大的服务器不但有更多的可用内存，而且包含 Virtual I/O (VIO) 服务器、Virtual Ethernet、shared Ethernet adapter (SEA)、Virtual SCSI 和 Micro-Partitioning 等功能。另外，Simultaneous multi-threading (SMT) 可以显著提高大多数工作负载的性能。但是，使用这些特性的关键是至少要安装 AIX V5.3（或 Linux），这是使用这些新特性所需的 OS 版本。基于 POWER6 处理器的服务器上的 AIX V6 提供更高级的虚拟化特性。

POWER5 和 POWER6 服务器的另一个好处是，它们可以在同一台服务器上的不同 LPAR 中同时运行多个不同的 OS。一台服务器可以同时运行 AIX V5.3、AIX V6.1、SUSE Linux Enterprise Server 和 Red Hat Enterprise Linux，它们都在自己的 LPAR 中运行。另外，可以使用 VIO 服务器功能支持它们。hardware management console (HMC) 或 integrated virtualization-manager (IVM) 软件管理服务器。

选项和术语

与虚拟化有关的术语比较混乱。术语分为三个领域：CPU、内存和 I/O（网络和磁盘）。但糟糕的是，一些命令使用略有不同的缩写词表示相同的东西。在 POWER6 处理器上，通过称为 PowerVM 的特性提供虚拟化。这个特性在 POWER5 系统上称为 Advanced Power Virtualization。POWER6 系列包含三个服务器版本：Express、Standard 和 Enterprise。Express 版只能在入门级系统（Power 520 和 Power 550）上使用，它的功能有限，比如只支持 IVM 和在 VIO 服务器中包含三个 LPAR。Standard 版提供所有虚拟化特性，但是不包括两个为 Enterprise 版保留的功能。Enterprise 版在 Standard 版的基础上增加了 live partition mobility 和 Active Memory Sharing 功能。

对于 POWER5 和 POWER6 服务器，总是运行 POWER Hypervisor，它提供把物理实体（CPU、内存和 I/O 设备等）与实际软件或 LPAR 隔离开的功能。通过运行 VIO 服务器支持客户机 LPAR 可以进一步增强虚拟化功能。VIO 服务器是定制的 LPAR，提供 SEA 和 Virtual SCSI 功能以及 live partition mobility 和 Active Memory Sharing。以前，即使 LPAR 很少使用 I/O 卡，也必须把整个槽分配给 LPAR；通过使用 VIO 服务器，可以在 LPAR 之间共享 PCI 槽中的卡。这可以显著减少 I/O 抽屉、I/O 卡和相关成本。

设置

一定要了解内存和 CPU 资源的三个设置。最小值是引导 LPAR 所需的最低量；在 LPAR 正常引导时，如果资源可用，它会使用期望值；最大值是正在运行的 LPAR 可以使用动态 LPAR 操作把资源提高到的上限。

Virtual Ethernet 和 SEA

Virtual Ethernet 是从 AIX V5.3 开始引入的，它并不需要 PowerVM。它让两个 LPAR 可以通过 Hypervisor 和 Vrtual Ethernet 通道通信。Virtual Ethernet 传输网络通信流需要一些 CPU 和内存。它还支持 Virtual LAN 和其他安全机制。

SEA 利用 Virtual Ethernet。SEA 并不把以太网适配器分配给 VIO 服务器上的每个 LPAR，而是把实际适配器（或聚合在一起的适配器组）分配给 VIO 服务器。LPAR 使用 Virtual Ethernet 与 VIO 服务器通信，必须传输到机器外的通信流都通过 VIO 服务器中的 SEA 发送出去。为了提供冗余，通常用两个 VIO 服务器作为 SEA，一个设置为主 SEA，另一个在执行故障转移时运行。SEA 可以减少系统上以太网卡的数量并提供故障转移和冗余。

Virtual SCSI

以前，如果希望为 LPAR 提供引导磁盘，就必须为连接磁盘的卡提供一个槽，这个槽是这个 LPAR 专用的。随着服务器越来越大、越来越快，需要在其中整合更多的 LPAR，这会显著增加引导 LPAR 所需占用的磁盘和槽数量，更何况还有实际数据磁盘。Virtual SCSI 让 VIO 服务器拥有适配器和磁盘，VIO 服务器可以分割磁盘并把部分磁盘（或整个磁盘）提供给 LPAR，让客户机 LPAR 认为自己拥有完整的引导磁盘。例如，根据 rootvg 的干净程度，大多数 LPAR rootvg 的大小在 30 到 45 GB 之间。目前最小的磁盘大约为 146 GB。通过使用 VIO 服务器，这个 146 GB 的磁盘可以轻松地分割为三个逻辑卷，每个逻辑卷可以作为一个 LPAR 的引导卷。即使为了提供冗余使用两个 VIO 服务器，这仍然可以显著减少磁盘、PCI 卡和 I/O 抽屉。

内存

直到不久之前，内存的情况还非常简单：内存是 LPAR 专用的。一定要记住，用来跟踪真实内存到虚拟内存映射的 Hypervisor 页面表条目的大小是根据 LPAR 的最大内存计算的，而不是根据期望内存。用户根据经验设置 LPAR 的最大内存，让 Hypervisor 的开销不会超过必要量太多。例如，如果服务器有 128 GB 内存，而 LPAR 的期望内存为 4 GB，那么把最大内存设置为 8 GB 左右而不是 128 GB。

这些页面表条目的 Hypervisor 开销的计算方法通常是，最大内存设置除以 64，然后向上取整到最接近的逻辑内存块大小。对于上面的示例，如果把最大内存设置为 128 GB，Hypervisor 就会为这个 LPAR 的页面表条目保留至少 2 GB 内存，尽管期望值只是 4 GB。如果最大内存设置为 8 GB，那么只保留 128 MB（根据逻辑内存块大小，也可能保留 256 MB）。

4 月，IBM 发布了 Active Memory Sharing 特性。这个工具提供可以由分区共享的内存池，允许在某些情况下过量使用内存，这样就不必购买很多内存。Active Memory Sharing 需要 AIX V6.1（或 IBM i 或 Linux）、POWER6 硬件和一些特定的固件版本。它还需要 PowerVM Enterprise 版，要求 LPAR 中的所有资源都是虚拟化的，LPAR 必须在共享处理器池中（使用 Micro-partitioning）。

Active Memory Sharing 是为内存需求变化大的 LPAR 设计的。VIO 服务器有一组特殊的 Active Memory Sharing 分页设备，在另一个 LPAR 需要内存时，可以根据设置时选择的选项交换出 LPAR 的内存。Active Memory Sharing 并不适用于内存使用量非常稳定或需要可预测的高性能的工作负载。它非常适合大多数测试和开发环境。关于 Active Memory Sharing 如何工作的更多信息，请参见 “Upping the Ante” (www.ibmsystemsmag.com/aix/junejuly09/coverstory/25427p1.aspx)。

CPU

讨论 CPU 时使用的术语也很混乱。在 IBM Power Systems 环境中，CPU 表示单一处理器或单一处理器核。对于其他厂商，不一定是这种含义，所以最好使用 “核” 这个词，尤其是在讨论许可证时。

核要么分配给 LPAR，要么放在共享处理器池中。有一个特性称为 dedicated donating，但是它的行为基本上与共享处理器池相似。对于专用的核，在引导时把物理核分配给 LPAR，同一个核一直由这个 LPAR 使用。因为一个时钟周期提供 10 毫秒 (ms) 的分派窗口，所以核的分派窗口是 10 ms。当前没有分配给专用 LPAR 的所有核通常都放在共享处理器池中。

在 POWER6 技术出现之前，只有一个共享处理器池。POWER6 服务器支持最多 64 个池，默认的池是 pool 0。如果把 LPAR 定义为使用共享处理器池，它们就可以使用 Micro-partitioning 功能。这意味着可以给 LPAR 分配一个核的十分之一，如果设置正确，LPAR 可以动态地收缩和增长。

基于 POWER5 处理器的 Power Systems 服务器支持 SMT。在基于 POWER5 和 POWER6 处理器的服务器上，许多寄存器是双重的，所以可以在同一个分派窗口中给同一个核分派两个线程，让它们同时运行，这样就可以利用流水线寄存器复制提供的优势。

虚拟 CPU、处理单元和逻辑 CPU 这三个概念会给理解处理能力设置造成困扰。首先，处理能力基本上是衡量可以使用的资源的指标。就像一品脱的瓶子有固定的容量，在给 LPAR 分配 CPU 和内存等资源时，也是指定可以使用的资源量。

专用的 CPU

在专用环境中，有一个核的服务器会显示一个处理器（可能在 lsdev –Ccprocessor 的输出中表示为 proc0）。如果关闭 SMT，vmstat 中的 lcpu 会显示有一个逻辑 CPU，lparstat 显示一个在线的虚拟 CPU。在这种情况下，这两个概念不会造成混淆。在关闭 SMT 时，vmstat 中的 lcpu=1 意味着一个真实的核分配给这个 LPAR。在分派线程时，它被分派给 proc0，proc0 代表真实的核。

如果打开 SMT 并运行 vmstat 和 lparstat，会在 vmstat 中看到 lcpu=2，而 lparstat 显示一个在线的虚拟 CPU。在专用环境中，没有虚拟 CPU 这样的概念，但是命令术语不变。lparstat 中的虚拟 CPU 实际上就是真实的 CPU。但是，如果打开 SMT，就会出现逻辑 CPU 的概念。每个逻辑 CPU 代表可以在同一个核上同时运行的线程之一。现在可以使用 mpstat –s 查看分派线程的情况。在打开 SMT 时，vmstat 中的 lcpu=2 意味着有一个核。在分派线程时，它被分派给逻辑 CPU，而逻辑 CPU 映射到 proc0，proc0 代表真实的核。

在专用环境中，有 5 个关键的设置：最小处理器数量、期望处理器数量、最大处理器数量、dedicated donating 以及一个决定在 LPAR 不运行时是否把核返回给池的选项。期望处理器数量是这个 LPAR 在引导时尽可能尝试使用的数量。专用 LPAR 的所有处理器设置都是表示核数的整数。

共享的 CPU

在共享 CPU 的环境中，虚拟处理器或 CPU 的概念是有意义的。核放在处理器池中，然后通过特定的设置给 LPAR 分配这个池。在核分配方面，现在有 6 个设置：最小、期望和最大处理器单元，最小、期望和最大虚拟处理器数量。因为可以把核的一部分分配给 LPAR，所以使用 “处理器单元 (PU)” 这个词，而不使用核。

例如，我们为一个 LPAR 设置最小值 0.1 PU、期望值 0.8 PU 和最大值 6 PU。还为它设置最小值 1 个虚拟处理器、期望值 2 个虚拟处理器和最大值 6 个虚拟处理器，而且它是不封顶的。打开 SMT。LPAR 按照期望设置（0.8 PU 和 2 个虚拟处理器）引导。

vmstat 命令显示 LCPU 为 4，lparstat 显示 2 个在线的虚拟 CPU。vmstat 和 lparstat 都显示标称处理能力为 0.8，vmstat 还显示 %entc 和 pc 字段。

PU 的期望设置（这里是 0.8）也称为标称处理能力。在 vmstat 中，%entc 是标称处理能力中正在使用的百分比，pc 是当前使用的处理器单元数量。在 LPAR 引导并获得期望的 PU 时，就会保证它随时可以使用期望的 PU。如果 LPAR 不使用这些 PU，Hypervisor 可以把它们分配给另一个 LPAR。如果 LPAR 是不封顶的，它可以超过它的标称处理能力，使用其他 LPAR 不使用的处理器资源。

虚拟处理器数量在共享的环境中有几个用途。首先，虚拟处理器数量决定 LPAR 认为它有多少个核。如果 VP=2，那么 LPAR 有 proc0 和 proc2，它认为自己有 2 个物理核。对于期望设置为 0.8 PU 的情况，这相当于有 2 个虚拟处理器，每个的初始分派窗口为 4 ms（对于完整的核应该为 10 ms）。在分派这两个虚拟处理器时，它们可以分派给相同或不同的核。系统会尝试把它们分派到以前运行它们的核上，但是不保证这一点。必须特别注意虚拟处理器设置，因为它们还告诉 LPAR 可以增长到多大，而且一些软件厂商使用它们计算许可证费用。

在前面的示例中，LPAR 是不封顶的，共享处理器池中有 6 个核，标称处理能力为 0.8，虚拟处理器数量设置为 2；打开了 SMT。在这种情况下，LCPU 显示为 4：因为有两个虚拟处理器，然后由于打开 SMT 而加倍。另外，尽管这个 LPAR 是不封顶的，但是它在增长时不能超过 2 PU，因为虚拟处理器数量实际上起到上限的作用。要想使用池中的所有 6 个核，必须把虚拟处理器数量设置为 6。不封顶的 LPAR 可以超过它的标称处理能力（期望的 PU），但是不能超过期望的虚拟处理器数量或池大小（以其中比较小的值为准）。

关于 Micro-partitioning 技术还要注意几点：

• 与专用的核一样，完整的核的分派时间是 10 ms 的时间片。
• 标称处理能力为 0.3 意味着一个核的百分之 30，即 3 ms 的时间片。
• 标称处理能力为 1.4 意味着，对于每个 10 ms 的时间片，LPAR 有 14 ms 的处理时间（显然需要跨多个核）。对于 2 个虚拟处理器，这相当于每个核上 7 ms。
• 对于一个核，分配的虚拟处理器越多，分派窗口就越小。
• 根据标称处理能力、虚拟处理器数量和中断数量，一个 LPAR 可以在多个核上运行。
• 期望的虚拟处理器数量不能超过标称处理能力的 10 倍或 64（以其中比较小的值为准）。

对于不封顶的 LPAR，每个虚拟处理器可以增加它使用的处理能力，但是不超过一个完整的核（即 10 ms）。因此，即使一个 LPAR 的标称处理能力只有 0.8，但是如果它有两个虚拟处理器而且不封顶，在有资源可用的情况下，它可以增长到 2 个完整的核。但是，如果虚拟处理器数量设置为 1，它就不能超过一个核。如果 LPAR 设置为封顶的，规则就不一样了；封顶的 LPAR 不能超过它的标称处理能力。因此，如果这个 LPAR 是封顶的，它就不能超过 0.8 PU（见表 1）。

>表 1.共享 CPU

	不封顶 LPAR1	不封顶 LPAR2	封顶 LPAR3
标称数量	2.0	2.0	2.0
需要的虚拟处理器数量	4.0	6.0	4.0
最大增长	4 PU	6 PU	2.0

虚拟化的好处和困难

显然，明智地实现虚拟化可以显著地节省资源。但是，要想理解虚拟化背后的概念，一定要掌握相关术语。标称处理能力、处理器单元、虚拟处理器、处理能力和池尤其重要。

本文的英文原文最先在 IBM Systems Magazine 在线网站（www.ibmsystemsmag.com）上发布。

Jaqui Lynch 是 IBM Systems Magazine, Power Systems - AIX 版的技术编辑和 Mainline Information Systems 的资深系统工程师。可以通过 jaqui.lynch@mainline.com 联系 Jaqui。